Modèles de dépôt sous-glaciaires et dynamique de remplissage des vallées tunnel. Exemple au Quaternaire (Bray, Irlande) et application à l’Ordovicien supérieur de l’Anti-Atlas (Alnif, Maroc)

Sylvain Clerc soutiendra sa thèse le vendredi 26 octobre 2012 à 10 h 30, dans l’amphithéâtre d’Orbigny.

Résumé

Au cours du Paléozoïque inférieur, un changement climatique majeur a permis le développement d’une calotte glaciaire sur le paléo-continent Gondwana. Cette calotte a plusieurs fois recouvert la plateforme nord-gondwanienne au cours des différents épisodes d’avancée et de recul des fronts glaciaires. Cette dynamique a permis le développement d’un modèle glaciaire, qui inclut des surfaces d’érosion majeures d’extension régionale et des vallées glaciaires. Parmi ces vallées, les vallées tunnel font référence aux vallées glaciaires mises en évidence en Europe, et qui sont associées aux grandes glaciations quaternaires. Par définition, ces vallées regroupent des dépressions linéaires de plusieurs kilomètres de large et de plusieurs dizaines de kilomètres de long. Elles sont en générale profondes de quelques centaines de mètres et leur fond présentent des zones de surcreusement.

Des vallées tunnel ordoviciennes sont localisées en Afrique du nord et au Moyen-Orient. Les sédiments glaciaires ordoviciens représentent un important objectif pour l’exploration des hydrocarbures et les vallées tunnel, qui constituent des hétérogénéités lithologiques dans l’enregistrement sédimentaire, sont d’excellentes roches réservoirs. En Europe, les anciennes vallées tunnel quaternaires constituent des aquifères dont la mise en évidence et la préservation constituent un véritable enjeu. Un intérêt majeur réside donc dans une meilleure connaissance de l’architecture du remplissage de ces vallées, mais également une compréhension des paramètres qui contrôlent leur distribution et des mécanismes qui participent à leur formation sous les calottes de glace. Le travail de recherche présenté dans ce mémoire est principalement basé sur une étude de terrain, dont les résultats recouvrent trois grands axes : (1) l’environnement sous-glaciaire, (2) la dynamique de remplissage des vallées tunnel et (3) les facteurs contrôlant leur distribution.

L’environnement sous-glaciaire est complexe et demeure encore mal connu, du fait notamment de son inaccessibilité et l’impossibilité d’y effectuer des observations directes. Dans la littérature, l’enregistrement sédimentaire qui lui est associé est généralement limité aux faciès grossiers ; il est considéré comme marginal en termes de volume. Le travail mené sur les dépôts glaciaires quaternaires de la baie de Killiney en Irlande démontre que l’environnement sous-glaciaire peut stocker et préserver des sédiments. L’espace d’accommodation sous-glaciaire existe grâce notamment au modelé sous-glaciaire qui crée une topographie favorable à la formation de dépocentres. Les sédiments auront une signature particulière qui reflète l’interaction entre la glace et le substrat, via des phases de couplage et de découplage. Ce travail a ainsi permis de définir des critères de reconnaissance des faciès sous-glaciaires, qui regroupent des caractéristiques stratigraphiques, sédimentologiques et des indices liés aux déformations par surpressions fluides associées au poids et à l’écoulement de la glace.

Actuellement, la dynamique de remplissage des vallées tunnel est largement associée à une dynamique de déglaciation et de retrait du front glaciaire. Les faciès sont ainsi largement associés à des environnements de dépôt proglaciaires, glaciomarins ou fluvioglaciaires. L’expérience acquise grâce à l’étude des dépôts quaternaires d’Irlande a permis d’identifier dans le remplissage de la vallée tunnel d’Alnif au Maroc, des faciès sous-glaciaires, qui représentent près de 50 % du volume des sédiments glaciaires. Ces dépôts sont en grande partie associés à un environnement de dépôt sous-glaciaire transitionnel (lightly grounded ice-sheet), défini par analogie avec les observations en Antarctique. Cet environnement se situe entre (1) la ligne de couplage marquant la limite avale de la zone de couplage permanent entre la glace et le substrat, caractérisant les zones internes de la calotte, et (2) la ligne d’échouage du glacier qui marque la zone où la glace devient flottante, associée à un environnement glaciomarin. En fonction de l’espace d’accommodation sous-glaciaire, les processus de dépôt dans cet environnement transitionnel, seront associés (1) à des glaciturbidites, liées au déconfinement d’un écoulement sous-glaciaire lorsque l’espace d’accommodation sera assez important, ou (2) à des chenaux sous-glaciaires en tresse (canal braided network), lorsque l’espace d’accommodation sera limité.

La proximité avec d’autres exemples de vallées tunnel dans l’Anti-Atlas, a permis de réaliser une analyse comparée de leur morphologie et des caractéristiques des dépôts préglaciaires. Les résultats démontrent un double contrôle, lithologique et hydrologique sur la distribution et la morphologie des vallées tunnel. Plus la diffusivité du substrat est faible, plus le nombre de vallées tunnel est important, et compense la faible capacité de transfert du sédiment. La distribution des unités argilo-silteuses des sédiments préglaciaires, qui constituent des barrières de perméabilité va directement influencer la morphologie de la vallée tunnel. Le rôle des barrières de perméabilité dans les variations de pressions fluides dans les niveaux gréseux permet également d’expliquer la formation de la vallée tunnel d’Alnif. Enfin, ces deux paramètres, lithologiques et hydrologiques, sont influencés par la structuration du bassin, qui contrôle la distribution des dépocentres (zone de subsidence versus haut structural) et l’organisation du réseau de drainage des eaux de fonte sous-glaciaires. La position des vallées tunnel est donc également influencée par l’héritage structural à l’échelle régionale.

Abstract

The icehouse period during the lower Palaeozoic led to the development of a large continental ice-sheet over the Gondwana. This ice-sheet fluctuated in size and repeatedly recovered the north-Gondwana platform. The resulting glacial record includes major erosional surfaces of regional extent, with subglacial landforms and morphologies, including glacial valleys, and specific glaciogenic sedimentary record. Among these valleys, tunnel valleys refer to Quaternary analogues, associated with the development of ice-sheets over Europe and North-America. Tunnel valley defines elongated, linear to slightly sinuous depressions, measuring few kilometers in width and several kilometres in length. They start and terminate abruptly, are generally a few hundred of meters deep, and display frequent overdeepening along the floor. They are expected to be formed subglacially by pressurized meltwaters.Ordovician tunnel valleys are described from North Africa to the Middle East. Ordovician glacial deposits are considered as a major target for hydrocarbon exploration in these regions, with tunnel valleys forming lithological heterogeneities with excellent reservoir properties. In Europe, Quaternary tunnel valleys are targeted for groundwater resources as they form reliable aquifers. A major interest therefore exists for these valleys, as well as a need for better understanding of the nature and the stratigraphy of the infill, their origin and the parameters controlling their distribution. The recherché project presented in this thesis is based on an extensive fieldwork that focused on three main issues, regarding tunnel valleys: (1) the subglacial environment, (2) the processes and depositional environments associated with their infill and (3) the parameters controlling their distribution.

The subglacial environment is complex, and despite improving investigation techniques, it is hardly accessible for direct observations and remains poorly understood. This environment is generally associated with coarse-grained, poorly sorted facies, and is considered to be subordinate to proglacial environments. The study carried out in Killiney Bay, Ireland, demonstrated that a wide range of facies could be deposited but also preserved in a subglacial environment, because subglacial accommodation space can be provided by the subglacial topography. The different facies display specific characteristics that record the close interaction between the substrate the overflowing ice-sheet, through coupling/uncoupling phases. Subglacial deposits display specific stratigraphic and sedimentological characteristics, as well as typical deformation structures related to fluid overpressures between the ice and the substrate.

Today, the different scenarios for tunnel valley infill are associated with the ice-sheet decay during the deglaciation and the subsequent ice-front retreat. The greater part of sediments is deposited in proglacial environments, either in glaciomarine or glaciofluvial settings. However, based on the diagnostic criterion defined in the quaternary record, subglacial facies were identified in Alnif tunnel valley infill and these facies represent nearly 50 % of the whole valley infill. A subordinate amount of these subglacial facies, restricted to the basal infill, are deposited under a fully grounded ice-sheet. The rest of the sediments is deposited under a lightly grounded ice-sheet, which is locally and temporary grounded on the substrate. By analogy with recent observations in Antarctica, this subglacial environment is at the transition between the fully grounded ice-sheet located above the coupling line, and the proglacial environment, where the ice-sheet is floating in the sea, seaward from the grounding line. Beneath the lightly grounded ice sheet, the sedimentary record will differ according to the amount of accommodation space. Glaciturbidites, associated with expanding flow from a subglacial conduit will be deposited in large accommodation space setting. Conversely, subglacial braided canal network, which develop through lateral migration and overdeepening will characterise low accommodation space setting.

Different examples of tunnel valley are described in the Anti-Atlas, allowing their morphology and the preglacial architecture to be compared in different locations. The results demonstrate the combined influence of lithological and hydrological parameters on tunnel valley shape and distribution. Tunnel valley density is higher where the preglacial substrate is characterised by low diffusivity, where no valley is formed where the preglacial strata are composed of high diffusivity sediments. Low diffusivity sediments have low capacity for groundwater transfer and channels will form at the ice-bed interface to efficiently drain meltwaters towards the margin. These channels will develop to form tunnel valleys. Conversely, above high-diffusivity sediments, meltwaters are fully drained as groundwater. In addition, the preglacial sedimentary architecture has a strong influence on tunnel valley shape. Low-diffusivity units, along the first 200 m of preglacial sediments, form permeability barriers which unable groundwater to flow vertically through the sediment, and therefore stop the tunnel valley overdeepening. These parameters explain the difference in shape, from shallow and narrow valleys to deep and large tunnel valleys. Finally, both the lithological and hydrological parameters are influenced by the regional structural configuration, which controls the evolution of preglacial depositional environments, and thus lithological heterogeneity distribution, but also (2) influences the subglacial drainage configuration.

Composition du jury

J.-F. Buoncristiani, maître de conférence, université de Bourgogne – codirecteur de thèse
J.-F. Deconinck, professeur, université de Bourgogne – examinateur
J.-F. Ghienne, chercheur, CNRS Université de Strasbourg – rapporteur
P. L. Gibbard, professeur, université de Cambridge – rapporteur
M. Guiraud, professeur, université de Bourgogne – codirecteur de thèse
S. Jorry, chercheur, Ifremer – examinateur
E. Portier, ingénieur, Réservoir GDF SUEZ EPI – coencadrant de thèse
E.Vennin, professeur, université de Bourgogne – examinateur

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Modèles de dépôt sous-glaciaires et dynamique de remplissage des vallées tunnel. Exemple au Quaternaire (Bray, Irlande) et application à l'Ordovicien supérieur de l'Anti-Atlas (Alnif, Maroc)

Sylvain Clerc soutiendra sa thèse le vendredi 26 octobre 2012 à 10 h 30, dans l'amphithéâtre d'Orbigny.

Résumé

Au cours du Paléozoïque inférieur, un changement climatique majeur a permis le développement d’une calotte glaciaire sur le paléo-continent Gondwana. Cette calotte a plusieurs fois recouvert la plateforme nord-gondwanienne au cours des différents épisodes d’avancée et de recul des fronts glaciaires. Cette dynamique a permis le développement d’un modèle glaciaire, qui inclut des surfaces d’érosion majeures d’extension régionale et des vallées glaciaires. Parmi ces vallées, les vallées tunnel font référence aux vallées glaciaires mises en évidence en Europe, et qui sont associées aux grandes glaciations quaternaires. Par définition, ces vallées regroupent des dépressions linéaires de plusieurs kilomètres de large et de plusieurs dizaines de kilomètres de long. Elles sont en générale profondes de quelques centaines de mètres et leur fond présentent des zones de surcreusement.

Des vallées tunnel ordoviciennes sont localisées en Afrique du nord et au Moyen-Orient. Les sédiments glaciaires ordoviciens représentent un important objectif pour l’exploration des hydrocarbures et les vallées tunnel, qui constituent des hétérogénéités lithologiques dans l’enregistrement sédimentaire, sont d’excellentes roches réservoirs. En Europe, les anciennes vallées tunnel quaternaires constituent des aquifères dont la mise en évidence et la préservation constituent un véritable enjeu. Un intérêt majeur réside donc dans une meilleure connaissance de l’architecture du remplissage de ces vallées, mais également une compréhension des paramètres qui contrôlent leur distribution et des mécanismes qui participent à leur formation sous les calottes de glace. Le travail de recherche présenté dans ce mémoire est principalement basé sur une étude de terrain, dont les résultats recouvrent trois grands axes : (1) l’environnement sous-glaciaire, (2) la dynamique de remplissage des vallées tunnel et (3) les facteurs contrôlant leur distribution.

L’environnement sous-glaciaire est complexe et demeure encore mal connu, du fait notamment de son inaccessibilité et l’impossibilité d’y effectuer des observations directes. Dans la littérature, l’enregistrement sédimentaire qui lui est associé est généralement limité aux faciès grossiers ; il est considéré comme marginal en termes de volume. Le travail mené sur les dépôts glaciaires quaternaires de la baie de Killiney en Irlande démontre que l’environnement sous-glaciaire peut stocker et préserver des sédiments. L’espace d’accommodation sous-glaciaire existe grâce notamment au modelé sous-glaciaire qui crée une topographie favorable à la formation de dépocentres. Les sédiments auront une signature particulière qui reflète l’interaction entre la glace et le substrat, via des phases de couplage et de découplage. Ce travail a ainsi permis de définir des critères de reconnaissance des faciès sous-glaciaires, qui regroupent des caractéristiques stratigraphiques, sédimentologiques et des indices liés aux déformations par surpressions fluides associées au poids et à l’écoulement de la glace.

Actuellement, la dynamique de remplissage des vallées tunnel est largement associée à une dynamique de déglaciation et de retrait du front glaciaire. Les faciès sont ainsi largement associés à des environnements de dépôt proglaciaires, glaciomarins ou fluvioglaciaires. L’expérience acquise grâce à l’étude des dépôts quaternaires d’Irlande a permis d’identifier dans le remplissage de la vallée tunnel d’Alnif au Maroc, des faciès sous-glaciaires, qui représentent près de 50 % du volume des sédiments glaciaires. Ces dépôts sont en grande partie associés à un environnement de dépôt sous-glaciaire transitionnel (lightly grounded ice-sheet), défini par analogie avec les observations en Antarctique. Cet environnement se situe entre (1) la ligne de couplage marquant la limite avale de la zone de couplage permanent entre la glace et le substrat, caractérisant les zones internes de la calotte, et (2) la ligne d’échouage du glacier qui marque la zone où la glace devient flottante, associée à un environnement glaciomarin. En fonction de l’espace d’accommodation sous-glaciaire, les processus de dépôt dans cet environnement transitionnel, seront associés (1) à des glaciturbidites, liées au déconfinement d’un écoulement sous-glaciaire lorsque l’espace d’accommodation sera assez important, ou (2) à des chenaux sous-glaciaires en tresse (canal braided network), lorsque l’espace d’accommodation sera limité.

La proximité avec d’autres exemples de vallées tunnel dans l’Anti-Atlas, a permis de réaliser une analyse comparée de leur morphologie et des caractéristiques des dépôts préglaciaires. Les résultats démontrent un double contrôle, lithologique et hydrologique sur la distribution et la morphologie des vallées tunnel. Plus la diffusivité du substrat est faible, plus le nombre de vallées tunnel est important, et compense la faible capacité de transfert du sédiment. La distribution des unités argilo-silteuses des sédiments préglaciaires, qui constituent des barrières de perméabilité va directement influencer la morphologie de la vallée tunnel. Le rôle des barrières de perméabilité dans les variations de pressions fluides dans les niveaux gréseux permet également d’expliquer la formation de la vallée tunnel d’Alnif. Enfin, ces deux paramètres, lithologiques et hydrologiques, sont influencés par la structuration du bassin, qui contrôle la distribution des dépocentres (zone de subsidence versus haut structural) et l’organisation du réseau de drainage des eaux de fonte sous-glaciaires. La position des vallées tunnel est donc également influencée par l’héritage structural à l’échelle régionale.

Abstract

The icehouse period during the lower Palaeozoic led to the development of a large continental ice-sheet over the Gondwana. This ice-sheet fluctuated in size and repeatedly recovered the north-Gondwana platform. The resulting glacial record includes major erosional surfaces of regional extent, with subglacial landforms and morphologies, including glacial valleys, and specific glaciogenic sedimentary record. Among these valleys, tunnel valleys refer to Quaternary analogues, associated with the development of ice-sheets over Europe and North-America. Tunnel valley defines elongated, linear to slightly sinuous depressions, measuring few kilometers in width and several kilometres in length. They start and terminate abruptly, are generally a few hundred of meters deep, and display frequent overdeepening along the floor. They are expected to be formed subglacially by pressurized meltwaters.Ordovician tunnel valleys are described from North Africa to the Middle East. Ordovician glacial deposits are considered as a major target for hydrocarbon exploration in these regions, with tunnel valleys forming lithological heterogeneities with excellent reservoir properties. In Europe, Quaternary tunnel valleys are targeted for groundwater resources as they form reliable aquifers. A major interest therefore exists for these valleys, as well as a need for better understanding of the nature and the stratigraphy of the infill, their origin and the parameters controlling their distribution. The recherché project presented in this thesis is based on an extensive fieldwork that focused on three main issues, regarding tunnel valleys: (1) the subglacial environment, (2) the processes and depositional environments associated with their infill and (3) the parameters controlling their distribution.

The subglacial environment is complex, and despite improving investigation techniques, it is hardly accessible for direct observations and remains poorly understood. This environment is generally associated with coarse-grained, poorly sorted facies, and is considered to be subordinate to proglacial environments. The study carried out in Killiney Bay, Ireland, demonstrated that a wide range of facies could be deposited but also preserved in a subglacial environment, because subglacial accommodation space can be provided by the subglacial topography. The different facies display specific characteristics that record the close interaction between the substrate the overflowing ice-sheet, through coupling/uncoupling phases. Subglacial deposits display specific stratigraphic and sedimentological characteristics, as well as typical deformation structures related to fluid overpressures between the ice and the substrate.

Today, the different scenarios for tunnel valley infill are associated with the ice-sheet decay during the deglaciation and the subsequent ice-front retreat. The greater part of sediments is deposited in proglacial environments, either in glaciomarine or glaciofluvial settings. However, based on the diagnostic criterion defined in the quaternary record, subglacial facies were identified in Alnif tunnel valley infill and these facies represent nearly 50 % of the whole valley infill. A subordinate amount of these subglacial facies, restricted to the basal infill, are deposited under a fully grounded ice-sheet. The rest of the sediments is deposited under a lightly grounded ice-sheet, which is locally and temporary grounded on the substrate. By analogy with recent observations in Antarctica, this subglacial environment is at the transition between the fully grounded ice-sheet located above the coupling line, and the proglacial environment, where the ice-sheet is floating in the sea, seaward from the grounding line. Beneath the lightly grounded ice sheet, the sedimentary record will differ according to the amount of accommodation space. Glaciturbidites, associated with expanding flow from a subglacial conduit will be deposited in large accommodation space setting. Conversely, subglacial braided canal network, which develop through lateral migration and overdeepening will characterise low accommodation space setting.

Different examples of tunnel valley are described in the Anti-Atlas, allowing their morphology and the preglacial architecture to be compared in different locations. The results demonstrate the combined influence of lithological and hydrological parameters on tunnel valley shape and distribution. Tunnel valley density is higher where the preglacial substrate is characterised by low diffusivity, where no valley is formed where the preglacial strata are composed of high diffusivity sediments. Low diffusivity sediments have low capacity for groundwater transfer and channels will form at the ice-bed interface to efficiently drain meltwaters towards the margin. These channels will develop to form tunnel valleys. Conversely, above high-diffusivity sediments, meltwaters are fully drained as groundwater. In addition, the preglacial sedimentary architecture has a strong influence on tunnel valley shape. Low-diffusivity units, along the first 200 m of preglacial sediments, form permeability barriers which unable groundwater to flow vertically through the sediment, and therefore stop the tunnel valley overdeepening. These parameters explain the difference in shape, from shallow and narrow valleys to deep and large tunnel valleys. Finally, both the lithological and hydrological parameters are influenced by the regional structural configuration, which controls the evolution of preglacial depositional environments, and thus lithological heterogeneity distribution, but also (2) influences the subglacial drainage configuration.

Composition du jury

J.-F. Buoncristiani, maître de conférence, université de Bourgogne – codirecteur de thèse
J.-F. Deconinck, professeur, université de Bourgogne – examinateur
J.-F. Ghienne, chercheur, CNRS Université de Strasbourg – rapporteur
P. L. Gibbard, professeur, université de Cambridge – rapporteur
M. Guiraud, professeur, université de Bourgogne – codirecteur de thèse
S. Jorry, chercheur, Ifremer – examinateur
E. Portier, ingénieur, Réservoir GDF SUEZ EPI – coencadrant de thèse
E.Vennin, professeur, université de Bourgogne – examinateur